光微生物燃料電池在1500,3000和3500 lx光強度下的極化曲線如圖5所示。在3000 lx光強度下，光微生物燃料電池的最大功率密度為99.09 mW m?2，是1500 lx時的1.5倍。當光強度增加到3500 lx時，光微生物燃料電池的最大功率密度增加了4.79 mW m?2。光能的利用效率以及藻類生長對光強度的依賴性因不同菌株而異。即使是低光強度（λ=550 nm,1500 lx）也能飽和集胞藻（Synechocystis）的產電活性。當光強度增加到120μmol m?2s?1時，可以明顯觀察到凱氏小球藻（Chlorella kessleri）的光飽和現象，然而當光強度增加到200μmol m?2s?1時，原殼小球藻（C.protothecoides）的比生長速率顯著提高。不同藻株的光能利用效率差異很大，可能是由于遺傳組成和培養條件的差異。

圖5.不同光照強度下光微生物燃料電池的極化曲線。

3.4.氧氣濃度隨光強度變化

在微生物燃料電池中，氧氣因其高電位和易得性被認為是理想的陰極電子受體。陰極電位取決于陰極室內的溶解氧水平。伴隨光微生物燃料電池的電壓變化，當光強度從1500 lx增加到3500 lx時，生物膜內的溶解氧從7.5 mg L?1上升到13.2 mg L?1（圖6）。

圖6.利用微電極技術揭示光強度對Desmodesmus sp.A8生物膜內溶解氧濃度的函數關系。

附著在陰極上的微藻可以在光照下通過光合作用持續提供大量氧氣。氧氣從生物膜擴散到溶液中，因此電解質中的溶解氧是過飽和的。溶解氧濃度的增加被認為是導致電壓變化的原因。光微生物燃料電池的電壓輸出和陰極生物膜內的溶解氧濃度隨光強度呈現相似趨勢，表明橋灣藻A8產生的O?影響了電壓輸出。實驗期間陽極室中的溶解氧濃度低于1 mg/L，這種低濃度不會影響陽極微生物的反應。

氧氣在陰極室中與電子和質子一起被還原成水，根據以下方程式：

O?+4H?+4e?→2H?O,E?=1.229 V

陰極氧還原的平衡電位可以用能斯特方程描述：

E=E?-(RT/nF)ln(aRed/aOx)

其中E和E?是每個半電池反應的實際電極電位和標準電極電位。aRed和aOx分別是陰極室溶液中還原物質和氧化物質的活度。T是絕對溫度，R（8.314 J K?1mol?1）是通用氣體常數，F（9.648×10?C mol?1）是法拉第常數，n是涉及的電子數。在這項工作中，O?還原的理論電極電位可描述如下：

E{O?/H?O}=E?{O?/H?O}-(RT/4F)ln(1/(a{O?}×a{H?}?))

在本研究中，陰極液的pH為9.12，當光強度從1500 lx增加到3500 lx時，藻類生物膜內的溶解氧濃度從7.50 mg L?1上升到13.21 mg L?1（圖5）。陰極性能的提高導致電壓因光強度提高而增加（圖4）。石墨還原氧的催化活性差是影響陰極性能的另一個因素。

一些研究表明，陰極室中的氧氣被還原為H?O??？赡艿姆磻蜆藴孰姌O電位可描述為：

O?+2H?+2e?→H?O?,E?=0.695 V

當過量的H?O?化合物產生時，可能通過氧化蛋白質導致細胞損傷的風險。此外，陰極液pH值升高至9.12，會影響微生物的電活性并增加氧還原過電位。這兩者都會抑制微藻的性能。

當光強度增加到更高值時，光強度對微藻生長的影響可分為四個階段，即滯后期、光限制期、光飽和期和光抑制期。因此，光強度對光微生物燃料電池性能的影響也可能隨著光強度的增加而分為四個階段，包括：（1）滯后期，電壓輸出隨光強度增加保持不變；（2）光限制期，電壓輸出隨光強度增加而上升；（3）光飽和期，電壓輸出隨光強度增加保持恒定；（4）光抑制期，電壓輸出隨光強度增加而下降。在本研究中，當光強度從1500 lx增加到3500 lx時，觀察到了光限制期和光飽和期。當光強度超過3000 lx時，可以清楚地觀察到接種了橋灣藻A8的三電極系統的穩定電流輸出。

4.結論

本研究證明，橋灣藻A8在光照下顯著增強了發電。光強度對光微生物燃料電池的陰極電位有深遠影響，而陽極電位在光強度變化期間變化很小。生物膜內的溶解氧隨光強度同步變化。光微生物燃料電池的電壓輸出響應隨光強度變化的依賴性不同，因此當光強度增加到3000 lx時，光微生物燃料電池的電壓輸出增加到穩定平臺。這項研究為改善光微生物燃料電池的性能提供了見解。